CN101886939A - 一种时差法超声流量计静态漂移抑制模型及抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时差法超声流量计静态漂移抑制模型及抑制方法，该抑制模型包括放大滤波电路、第一比较器、具有锁存功能的第二比较器、第三比较器、计数器、反相器及逻辑与运算单元，优点在于利用第一比较器和具有锁存功能的第二比较器进行硬件阈值比较，利用第三比较器进行过零比较，通过硬件阈值比较和过零比较相结合的方式，能够很好的解决由于超声波信号的电压幅值变化而导致超声波信号到达时刻错判的问题，准确地获得超声波信号到达的时刻，从而可准确测得顺流时间和逆流时间，大大减小了静态漂移，同时本发明通过脉冲计数的方式可以排除测到的错误数据，极大地提高了时差法超声流量计的计量精度。

Description

一种时差法超声流量计静态漂移抑制模型及抑制方法

技术领域

本发明涉及一种时差法超声流量计测量技术，尤其是涉及一种时差法超声流量计静态漂移抑制模型及抑制方法。

背景技术

超声流量计可以实现非接触、高精度测量，具有量程宽、无压损、组成简单、灵敏度高等优点，在石油化工、污水处理、工业及生活用水等领域有着广泛的应用前景。

超声流量计发展至今，已经有多种测量方式，按测量原理可以分为传播速度差法、多普勒效应法、波束偏移法等。时差法是超声流量计传播速度差法中的一种测量方式，与其他测量方式相比，其具有测量方式简单和计量精度高等优点，所以其一直备受关注。

将以时差法测量方式进行测量的超声流量计称为时差法超声流量计，图1给出了时差法超声流量计的测量电路框图，该测量电路包括微控制器、计时芯片、驱动电路模块、接收电路模块、切换开关、存储电路、第一超声波换能器和第二超声波换能器，驱动电路模块主要由脉冲信号产生电路、信号调理电路和换能器驱动电路组成，接收电路模块主要由信号接收电路和信号整形电路组成，切换开关具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口四个端口，微控制器分别与存储电路、计时芯片、切换开关及脉冲信号产生电路相连接，计时芯片与信号整形电路连接，换能器驱动电路与切换开关的第一端口连接，信号接收电路与切换开关的第三端口连接，第一超声换能器与切换开关的第二端口连接，第二超声换能器与切换开关的第四端口连接。第一超声波换能器和第二超声波换能器既可以发射超声波信号，又可以接收超声波信号，第一超声波换能器和第二超声波换能器对超声波信号的发射或接收由切换开关来控制，切换开关由微处理器控制，但同一时间段内第一超声波换能器和第二超声波换能器处于两种不同的状态，即当第一超声波换能器处于发射状态时，第二超声波换能器则应处于接收状态，此时切换开关的第一端口与第二端口相连，即换能器驱动电路与第一超声波换能器相连，第三端口与第四端口相连，即信号接收电路与第二超声波换能器连接；当第二超声波换能器处于发射状态时，第一超声波换能器则应处于接收状态，此时切换开关的第一端口与第四端口相连，即换能器驱动电路与第二超声波换能器连接，切换开关的第二端口与第三端口相连，即信号接收电路与第一超声波换能器相连；微控制器用于控制切换开关的各个端口之间的连接、控制脉冲信号产生电路输出驱动脉冲信号、读取计时芯片内的计数值及完成数值的计算并将该计数值存储至存储电路中。假设图1所示的测量电路在某时间段内第一超声波换能器处于发射状态而第二超声波换能器处于接收状态，微控制器控制切换开关的第一端口与第一超声波换能器连接，同时控制切换开关的第三端口与第二超声波换能器连接，此时微控制器、脉冲信号产生电路、信号调理电路、换能器驱动电路、切换开关的第一端口与第二端口、第一超声波换能器、第二超声波换能器、切换开关的第三端口与第四端口、信号接收电路、信号整形电路构成一个通路，微控制器控制脉冲信号产生电路输出驱动脉冲信号，脉冲信号产生电路将驱动脉冲信号传输给信号调理电路，同时微控制器控制计时芯片开始计时，信号调理电路对产生的驱动脉冲信号进行滤波整形处理得到幅值与频率与换能器相匹配驱动信号传输给换能器驱动电路，微处理器控制切换开关将匹配驱动信号通过切换开关的第一端口和第二端口传输给第一超声波换能器，第一超声波换能器产生超声波信号，超声波信号在管道中传播，第二超能波换能器接收到的超声波信号比较微弱，该超声波信号中夹杂着较多的干扰信号，第二超声波换能器将夹杂有干扰信号的超声波信号通过切换开关的第三端口和第四端口传输给信号接收电路，信号接收电路对含有干扰信号的超声波信号进行放大、滤波处理，信号整形电路对超声波信号进行整形处理得到脉冲信号，微控制器控制计时芯片计时结束，微控制器从计时芯片中读取顺、逆流时间并计算得到时间差，最终得到瞬时流量，最后对得到瞬时流量序列进行平滑滤波，最终得到准确的瞬时流量，并通过存储电路存储到存储器中。

图1中s1和s2分别表示第一超声波换能器和第二超声波换能器；V表示流体介质的流速；C表示超声波信号在流体介质中的声速；α表示流体介质的流速方向和超声波信号的传播方向的夹角，当α为锐角时，称之为顺流，当α为钝角时，称之为逆流；D表示管道的直径；θ表示超声波信号进入流体介质的入射角；t1表示s1作为发射超声波换能器、s2作为接收超声波换能器时，超声波信号在管道中的传播时间，即顺流时间；t2表示s2作为发射超声波换能器、s1作为接收超声波换能器时，超声波信号在管道中的传播时间，即逆流时间。其工作原理为：超声波信号在流体介质(即动态介质)中，与静态介质(流速为零)相比，顺流时超声波信号的传播速度增加，传播时间减小，逆流时超声波信号的传播速度减小，传播时间增加，从而使得顺逆流方向超声波信号的传播时间存在时间差。时差法超声流量计就是根据流体介质的流速与时间差存在线性关系原理进行测量的，因此只要准确测定顺流时间和逆流时间，根据流体介质的流速与顺流时间和逆流时间的线性关系，可以求出流体介质的流速，进而可以求出瞬时流量。记时间差为ΔT，

其中，

τ表示超声波信号在超声波换能器及硬件电路中的时间延迟。由于超声波信号在常见的流体介质中的声速要大于1000m/s，而这些常见的流体介质的流速通常小于10m/s，即C²＞＞V²，因此可得到从而可得到流体介质的流速

记瞬时流量为Q，

其中，K表示流体介质的流速分布修正系数，S表示管道的截面积。

理论上，在流体介质静止的情况下(即流体介质的流速为0m/s)，时差法超声流量计测量的顺流时间t1和逆流时间t2应该相等，时间差ΔT应该为0。但是由于采用的两个超声波换能器的灵敏度、机电耦合等参数不可能完全相同，静态情况下ΔT一般在一个范围内变化，根据可知静态下的瞬时流量Q应在一个范围内波动。超声流量计对流动的流体介质的测量，在此称之为动态计量，动态瞬时流量记作Q_d。假设时差法超声流量计要满足分界流量为q_t，且精度为1％，则在静态情况下时间差ΔT必须满足|ΔT|≤ξ，ξ为一个精度阈值参数(由分界流量和精度决定)，所以静态瞬时流量Q_s满足|Q_S|≤δ，δ＝f(ξ)。当静态瞬时流量Q_s不满足|Q_S|≤δ时，在此称这种状况为静态漂移。

静态漂移问题一直是时差法超声流量计精度提升的瓶颈，静态漂移与超声波信号准确判断密切相关，超声流量计测量的工业现场环境复杂，接收到的超声波信号比较小，易受干扰，另外流体介质中的固体颗粒及电磁波极易使接收到的超声波信号幅值发生变化，导致测量不准确和计量精度下降，因此解决静态漂移的基本方法是准确的判断超声波信号的到达时刻，即得到准确的顺流时间和逆流时间，进而得到准确的时间差。

在时差法超声流量计中，判断超声波信号的到达时刻最常用的方法为阈值比较法。阈值比较法的原理如图2a和图2b所示，图2b中，DS表示发射超声波换能器发射的脉冲驱动信号；TS表示接收超声波换能器接收到的超声波信号；T表示顺流时间(逆流时间)；t表示时间坐标轴；Z表示硬件阈值，一旦设定，其值保持不变；a、b、c、d依次表示接收到的超声波信号的第二个周期的4个时刻点，a为过零点。假设图2a和图2b中，超声波换能器接收到的超声波信号为一次静态测量时接收的超声波信号，硬件阈值Z首次与该超声波信号切割时刻为c点，此时的超声流量计测得的顺流时间(逆流时间)为T，时间差为ΔT。如果下一次接收到的超声波信号的幅值比该次接收到的超声波信号的幅值要大或者要小，则硬件阈值Z首次与该超声波信号切割的时刻点c点会前移或后移，导致测量的顺流时间(逆流时间)偏大或偏小。由于超声波信号比较微弱，易受到流体介质中的固体颗粒、外界环境以及电子元器件老化因素的影响，从而会使接收到的超声波信号的幅值发生变化，使硬件阈值Z与超声波信号首次切割的时刻点c点会前移或后移，顺流时间和逆流时间测量不准确。在静态情况下，顺流时间和逆流时间都是ms级的，两者大小很接近，使得时间差ΔT为ps级，容易出现三种使静态漂移|Q_S|＞δ的情况：

1)如果接收到的超声波信号的幅度变大，硬件阈值Z首次与接收到的超声波信号切割时刻为第二周期的b点，此时测得顺流时间(逆流时间)记为T₁，时间差为ΔT₁，|ΔT₁|＞|ΔT|，从而|Q_S|＞δ；

2)如果接收到的超声波信号的幅度变小，硬件阈值Z首次与接收到的超声波信号切割时刻为第二个周期的d点，此时顺流时间(逆流时间)记为T₂，时间差为ΔT₂，|ΔT₂|＞|ΔT|，从而|Q_S|＞δ；

3)如果接收到的超声波信号的幅值变大或变小的程度很大，那么硬件阈值Z首次与接收到的超声波信号切割时刻可能为第一个周期或第三个周期的某一时刻点，使得静态测量时间差增大或减小一个周期，这样测量的顺流时间或逆流时间就是错误的，从而时间差是错误的，导致静态瞬时流量测量结果错误。

综上，当超声波换能器接收到超声波信号时，由于超声波换能器由静止到震荡稳定需要一定的时间，上述阈值比较法采用第二个周期信号作为判断接收的超声波信号到达时刻点的标志，虽然可以很好去除超声波信号稳定所需要的时间，但是当超声波信号的幅值大小波动时，阈值比较法不能很准确的判断超声波信号的到达时刻，产生静态漂移问题，这严重影响了时差法超声流量计的动态计量精度，甚至产生计量错误。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效减小静态漂移，提高时差法超声流量计的计量精度的抑制模型及抑制方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种时差法超声流量计静态漂移抑制模型，包括放大滤波电路、第一比较器、具有锁存功能的第二比较器、第三比较器、计数器、反相器及逻辑与运算单元，所述的第一比较器具有Q1输出端和Q1非输出端，所述的第二比较器具有Q2输出端和Q2非输出端，所述的第三比较器具有Q3输出端和Q3非输出端，所述的放大滤波电路的输入端与接收超声波换能器相连接，所述的放大滤波电路对接收超声波换能器接收到的超声波信号进行放大滤波处理，所述的放大滤波电路的输出端输出放大滤波后的超声波信号，所述的第一比较器的同相输入端和所述的第二比较器的同相输入端均与所述的放大滤波电路的输出端相连接，接入放大滤波后的超声波信号，所述的第一比较器的反相输入端和所述的第二比较器的反相输入端均接入硬件阈值，所述的第一比较器的Q1输出端与所述的计数器的输入端相连接，所述的计数器累计所述的第一比较器的Q1输出端输出的脉冲序列的脉冲个数，所述的计数器的输出端输出脉冲个数，所述的第二比较器的Q2非输出端与所述的反相器的输入端相连接，所述的反相器的输出端与所述的第二比较器的LE引脚相连接，所述的第二比较器的Q2输出端输出锁存信号，所述的第三比较器的反相输入端与所述的放大滤波电路的输出端相连接，接入放大滤波后的超声波信号，所述的第三比较器的同相输入端接地，所述的第二比较器的Q2输出端与所述的第三比较器的Q3输出端分别与所述的逻辑与运算单元的输入端相连接，所述的逻辑与运算单元的输出端输出用于作为判断超声波信号到达的标志的停止信号，所述的逻辑与运算单元的输出端与时差法超声流量计测量电路中的计时芯片相连接，所述的计时芯片自时差法超声流量计测量电路中的微控制器控制脉冲信号产生电路输出驱动脉冲信号时开始计时，所述的计时芯片自接收到停止信号后停止计时，所述的计数器与所述的计时芯片分别与所述的微控制器相连接。

所述的硬件阈值的大小根据不同的接收超声波换能器接收到的实际的超声波信号的大小进行调节，调节完成后所述的硬件阈值为一固定电压值，所述的硬件阈值大于放大滤波后的超声波信号的第一正周期信号峰值，且小于放大滤波后的超声波信号的第二正周期信号峰值。

所述的微控制器为型号为MSP430的单片机。

所述的第二比较器的型号为MAX963。

所述的计时芯片的型号为TDC_GP2。

一种时差法超声流量计静态漂移抑制方法，包括以下步骤：

①将接收超声波换能器的输出端与放大滤波电路的输入端相连接，将放大滤波电路的输出端分别与第一比较器的同相输入端、第二比较器的同相输入端及第三比较器的反相输入端相连接，将硬件阈值分别接入第一比较器的反相输入端和第二比较器的反相输入端，将第三比较器的同相输入端接地，将第一比较器的Q1输出端与计数器的输入端相连接，将第二比较器的Q2非输出端与反相器的输入端相连接，将反相器的输出端与第二比较器的LE引脚相连接，将第二比较器的Q2输出端和第三比较器的Q3输出端分别与逻辑与运算单元的输入端相连接，将逻辑与运算单元的输出端与时差法超声流量计测量电路中的计时芯片相连接，将计数器和计时芯片分别与时差法超声流量计测量电路中的微控制器相连接；

②自微控制器控制时差法超声流量计测量电路中的脉冲信号产生电路输出驱动脉冲信号时，微控制器控制计时芯片开始计时；

③接收超声波换能器接收发射超声波换能器发射出的超声波信号，并将接收到的超声波信号传输给放大滤波电路，放大滤波电路对超声波信号进行放大滤波处理，并传输放大滤波后的超声波信号给第一比较器的同相输入端、第二比较器的同相输入端及第三比较器的反相输入端；

④第一比较器比较超声波信号的电压幅值与硬件阈值的大小，当超声波信号的电压幅值大于硬件阈值时，第一比较器的Q1输出端输出高电平，当超声波信号的电压幅值小于硬件阈值时，第一比较器的Q1输出端输出低电平；然后，第一比较器传输其Q1输出端输出的由高电平和低电平组成的脉冲序列给计数器的输入端，计数器累计脉冲序列的脉冲个数；

⑤第二比较器比较超声波信号的电压幅值与硬件阈值的大小，当超声波信号的电压幅值大于硬件阈值时，第二比较器的Q2非输出端输出低电平，当超声波信号的电压幅值小于硬件阈值时，第二比较器的Q2非输出端输出高电平；然后，第二比较器传输其Q2非输出端输出的由高电平和低电平组成的脉冲序列给反相器的输入端，反相器的输出端输出的信号接入第二比较器的LE引脚，使第二比较器的Q2输出端输出的信号被锁存，第二比较器的Q2输出端输出锁存信号，并传输锁存信号给逻辑与运算单元的输入端；

⑥第三比较器比较超声波信号的电压幅值与零电平的大小，当超声波信号的电压幅值小于零电平时，第三比较器的Q3输出端输出高电平，当超声波信号的电压幅值大于零电平时，第三零比较器的Q3输出端输出低电平；然后，第三比较器传输其Q3输出端输出的由高电平和低电平组成的脉冲序列给逻辑与运算单元的输入端；

⑦逻辑与运算单元对锁存信号和第三比较器输出的脉冲序列进行逻辑与运算，其输出端输出用于作为判断超声波信号到达的标志的停止信号，并传输停止信号给计时芯片，计时芯片在接收到停止信号后停止计时；

⑧微控制器从计数器中读取计数器累计的脉冲个数，然后判断脉冲个数是否等于设定的固定值，如果是，则读取计时芯片所计时间，将该读取的时间作为顺流时间或逆流时间，否则，舍弃该次计时，然后重复②至⑨的过程；

⑨微控制器根据顺流时间和逆流时间计算两者的时间差；

⑩微控制器根据时间差计算瞬时流量。

在本发明抑制方法中，可重复执行N次步骤①～⑨，实现N组相同的测量，获得N组时间差，对N组时间差进行平滑滤波处理，获得精确的时间差。

所述的设定的固定值的大小由所述的硬件阈值的大小以及放大滤波后的超声波信号的大小共同决定。

与现有技术相比，本发明的优点在于利用第一比较器和具有锁存功能的第二比较器进行硬件阈值比较，利用第三比较器进行过零比较，通过硬件阈值比较和过零比较相结合的方式，能够很好的解决由于超声波信号的电压幅值变化而导致超声波信号到达时刻错判的问题，准确地获得超声波信号到达的时刻，从而可准确测得顺流时间和逆流时间，大大减小了静态漂移，同时本发明通过脉冲计数的方式可以排除测到的错误数据，极大地提高了时差法超声流量计的计量精度。

附图说明

图1为时差法超声流量计的测量电路示意图；

图2a为现有的阈值比较法的原理示意图；

图2b为图2a中虚线框内部分的放大图；

图3为本发明抑制模型的电路原理图；

图4a为接收超声波换能器接收到的超声波信号的波形图；

图4b为第一比较器的Q1输出端输出的脉冲序列的波形图；

图4c为第二比较器的Q2输出端输出的锁存信号的波形图；

图4d为第三比较器的Q3输出端输出的信号的波形图；

图4e为逻辑与运算单元的输出端输出的停止信号的波形图；

图5为本发明方法的基本流程框图；

图6为硬件阈值的大小示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本发明提出的时差法超声流量计静态漂移抑制模型，如图3所示，其包括放大滤波电路1、第一比较器2、具有锁存功能的第二比较器3、第三比较器4、计数器5、反相器6及逻辑与运算单元7，第一比较器3具有Q1输出端和Q1非输出端，第二比较器4具有Q2输出端和Q2非输出端，第三比较器5具有Q3输出端和Q3非输出端，放大滤波电路1的输入端与接收超声波换能器相连接，放大滤波电路1对接收超声波换能器接收到的超声波信号进行放大滤波处理，放大滤波电路1的输出端输出放大滤波后的超声波信号，第一比较器2的同相输入端和第二比较器3的同相输入端均与放大滤波电路1的输出端相连接，接入放大滤波后的超声波信号，第一比较器2的反相输入端和第二比较器3的反相输入端均接入硬件阈值Z，第一比较器2的Q1输出端与计数器5的输入端相连接，计数器5累计第一比较器2的Q1输出端输出的脉冲序列的脉冲个数，计数器5的输出端输出脉冲个数，第二比较器3的Q2非输出端与反相器6的输入端相连接，反相器6的输出端与第二比较器3的LE引脚相连接，第二比较器3的Q2输出端输出锁存信号，第三比较器4的反相输入端与放大滤波电路1的输出端相连接，接入放大滤波后的超声波信号，第三比较器4的同相输入端接地，第二比较器3的Q2输出端与第三比较器4的Q3输出端分别与逻辑与运算单元7的输入端相连接，逻辑与运算单元7的输出端输出用于作为判断超声波信号到达的标志的停止信号，逻辑与运算单元7的输出端与时差法超声流量计测量电路中的计时芯片8相连接，计时芯片8自时差法超声流量计测量电路中的微控制器9控制脉冲信号产生电路输出驱动脉冲信号时开始计时，计时芯片8自接收到停止信号后停止计时，计数器5与计时芯片8分别与微控制器9相连接，由微控制器9控制计数器5进行脉冲个数累计，微控制器9从计数器5中读取计数器5所累计的脉冲个数，由微控制器9控制计时芯片8开始计时，微控制器9从计时芯片8中读取计时芯片8所计时间。

对于不同的发射超声波换能器而言，在驱动脉冲信号相同的情况下，发射超声波换能器发射的超声波信号是不同的，所以对于不同的接收超声波换能器所接收到的超声波信号的电压幅度大小也是差别很大，在本实施例中硬件阈值Z是根据一对发射超声波换能器和接收超声波换能器来说是固定不变的，但是对不同的一对发射超声波换能器和接收超声波换能器来说，硬件阈值Z是不同的，因此本发明的抑制模型为了针对不同的超声波换能器都可以使用，该硬件阈值Z是可以调节的，对于固定的一对发射超声波换能器和接收超声波换能器来说，硬件阈值Z一旦调节好之后，该硬件阈值Z就固定不变了，实际上该硬件阈值Z就是一个固定电压值，但该硬件阈值Z的大小一定是大于放大滤波后的超声波信号的第一正周期信号峰值，且小于放大滤波后的超声波信号的第二正周期信号峰值，如图6所示，硬件阈值Z的大小处于放大滤波后的超声波信号的第一正周期信号峰值与第二正周期信号峰值之间。

在此具体实施例中，放大滤波电路1采用现有技术；微控制器可采用型号为MSP430的单片机；第二比较器3可采用型号为MAX963的比较器，也可采用其他具有锁存功能的比较器；第一比较器2和第三比较器4可采用现有的任意成熟的比较器，可为普通的比较器，也可以具有锁存功能的比较器；计时芯片8采用型号为TDC_GP2的计时芯片，也可采用其他计时芯片。

本发明的抑制模型利用第一比较器2和第二比较器3比较硬件阈值Z与放大滤波后的超声波信号的电压幅值大小，结合利用第三比较器4比较零电平与放大滤波后的超声波信号的电压幅值大小，能够很好地缓解现有的阈值比较法存在的缺点，大大减小了静态漂移，从而提高了时差法超声流量计的计量精度。

实施例二：

在实施例一给出的抑制模型的基础上，本发明提出了一种时差法超声流量计静态漂移抑制方法，其流程框图如图5所示，以时差法超声流量计进行顺流测量为例，本发明抑制方法具体包括以下步骤：

①将接收超声波换能器的输出端与放大滤波电路1的输入端相连接，将放大滤波电路1的输出端分别与第一比较器2的同相输入端、第二比较器3的同相输入端及第三比较器4的反相输入端相连接，将硬件阈值Z分别接入第一比较器2的反相输入端和第二比较器3的反相输入端，将第三比较器4的同相输入端接地，将第一比较器2的Q1输出端与计数器5的输入端相连接，将第二比较器3的Q2非输出端与反相器6的输入端相连接，将反相器6的输出端与第二比较器3的LE引脚相连接，将第二比较器3的Q2输出端和第三比较器4的Q3输出端分别与逻辑与运算单元7的输入端相连接，将逻辑与运算单元7的输出端与时差法超声流量计测量电路中的计时芯片8相连接，将计数器5和计时芯片8分别与时差法超声流量计测量电路中的微控制器9相连接。

②自微控制器8控制时差法超声流量计测量电路中的脉冲信号产生电路输出驱动脉冲信号时，微控制器9控制计时芯片8开始计时。脉冲信号产生电路输出驱动脉冲信号和计时芯片8开始计时同步进行，可使最终计算得到的时间差更为精确。

③接收超声波换能器接收发射超声波换能器发射出的超声波信号，并将接收到的超声波信号传输给放大滤波电路1，放大滤波电路1对超声波信号进行放大滤波处理，并传输放大滤波后的超声波信号给第一比较器2的同相输入端、第二比较器3的同相输入端及第三比较器4的反相输入端。接收超声波换能器接收到的超声波信号如图4a所示。

④第一比较器2比较超声波信号的电压幅值与硬件阈值Z的大小，当超声波信号的电压幅值大于硬件阈值Z时，第一比较器2的Q1输出端输出高电平，当超声波信号的电压幅值小于硬件阈值Z时，第一比较器2的Q1输出端输出低电平；然后，第一比较器2传输其Q1输出端输出的由高电平和低电平组成的脉冲序列给计数器5的输入端，计数器5累计脉冲序列的脉冲个数。在此，通过计数器5对脉冲序列的脉冲个数进行计数，可以很好地解决由环境干扰信号致使接收到的超声波信号的电压幅度变化很剧烈的问题，可以很好判断测量得到的顺流时间或逆流时间是不是正确的数据。第一比较器2的Q1输出端输出的脉冲序列如图4b所示的波形。

⑤第二比较器3比较超声波信号的电压幅值与硬件阈值Z的大小，当超声波信号的电压幅值大于硬件阈值Z时，第二比较器3的Q2非输出端输出低电平，当超声波信号的电压幅值小于硬件阈值Z时，第二比较器3的Q2非输出端输出高电平；然后，第二比较器3传输其Q2非输出端输出的由高电平和低电平组成的脉冲序列给反相器6的输入端，反相器6的输出端输出的信号接入第二比较器3的LE引脚，使第二比较器3的Q2输出端输出的信号被锁存，第二比较器3的Q2输出端输出锁存信号，并传输锁存信号给逻辑与运算单元7的输入端。在此，利用第二比较器3比较放大滤波后的超声波信号的电压幅值与硬件阈值Z的大小，可以很好地排除超声波信号到达接收超声波换能器之前的干扰信号，减小测量的误差。第二比较器3的Q2输出端输出的锁存信号如图4c所示的波形。

⑥第三比较器4比较超声波信号的电压幅值与零电平的大小，当超声波信号的电压幅值小于零电平时，第三比较器4的Q3输出端输出高电平，当超声波信号的电压幅值大于零电平时，第三零比较器4的Q3输出端输出低电平；然后，第三比较器4传输其Q3输出端输出的由高电平和低电平组成的脉冲序列给逻辑与运算单元7的输入端。在此，利用第三比较器4比较放大滤波处理后的超声波信号的电压幅值与零电平的大小，可以很好地解决现有的阈值比较法因超声波信号的电压幅值的变化而导致测量不准的问题。第三比较器4的Q3输出端输出的信号如图4d所示的波形。

⑦逻辑与运算单元7对锁存信号和第三比较器4输出的脉冲序列进行逻辑与运算，其输出端输出用于作为判断超声波信号到达的标志的停止信号，并传输停止信号给计时芯片，计时芯片8在接收到停止信号后停止计时。在此，利用第二比较器3的Q2输出端输出的信号和第三比较器4的Q3输出端输出的信号进行逻辑与操作，可以很好地抑制静态漂移问题。停止信号如图4e所示的S波形。

⑧微控制器9从计数器5中读取计数器5累计的脉冲个数，然后判断脉冲个数是否等于设定的固定值，如果是，则读取计时芯片8所计时间，如图4e所示的T₃，将该读取的时间T₃作为顺流时间，否则，舍弃该次计时，然后重复②至⑨的过程。

⑨以上述顺流测量相同的方式测得逆流时间，记为T′₃，微控制器根据顺流时间T₃和逆流时间T′₃可准确计算出两者的时间差ΔT，ΔT＝|T₃-T′₃|。

⑩微控制器根据时间差计算瞬时流量。

为进一步减小静态漂移，提高时差法超声流量计的抗干扰能力，可在本发明方法的具体过程中增加软件平滑滤波方法，以减小随机干扰信号对硬件系统的影响，剔除测量过程中的误差数据(即剔除测量中过小或者过大的数据)，使得测量的流量更接近真实值，提高计量精度。软件平滑滤波方法的实现过程为：重复执行N次步骤①～⑨，实现N组相同的测量，获得N组时间差，对N组时间差进行平滑滤波处理，获得更精确的时间差，进而计算出更精确的瞬时流量。在此，N的值越大，则得到的最终的时间差的精确度越高，但同时计算复杂度会比较高，N的值太小，则得到的最终的时间差的精确相对较低。在本实施例中，可在一次测量时测量60组时间差数据，然后对这60组时间差数据进行排序，去除最大和最小各10组时间差数据，然后对中间的40组时间差数据进行取平均，实现平滑滤波处理，将获得的平均值作为最终的时间差，由于该时间差更接近真实值，该时间差更为精确，因此根据该时间差计算得到的瞬时流量也更为精确。

在此具体实施例中，设定的固定值的大小是根据硬件阈值Z的大小与放大滤波后的超声波信号的大小确定的，对于一对特定的发射超声波换能器和接收超声波换能器，放大滤波后的超声波信号的电压幅值是固定的，而硬件阈值Z一旦确定好后，那么第一比较器的Q1输出端输出的脉冲序列的脉冲个数也就确定了，脉冲个数为一固定值，如图4a的脉冲序列，可以将该固定值设为5，计数器对脉冲个数进行计数，每次对顺流时间或逆流时间进行测量时，微控制器读取该计数值与固定值进行比较，如果不等，测放弃该组数据，如果相等，微控制器读取计时芯片中的顺流时间或逆流时间。

对于超声波换能器来说，如果驱动脉冲信号一定的情况下，接收超声波换能器接收到超声波信号的波形是不变的，通过计数器累计的脉冲的个数是不变的，假设不变的个数的值为本实施例中的固定值，那么进行一次测量时，如果累计的脉冲个数为该固定值时，则进行下一次测量，如果累计的脉冲个数不为该固定值时，则舍弃该次测量的数据，进行重新测量。

Claims (8)

1.一种时差法超声流量计静态漂移抑制模型，其特征在于包括放大滤波电路、第一比较器、具有锁存功能的第二比较器、第三比较器、计数器、反相器及逻辑与运算单元，所述的第一比较器具有Q1输出端和Q1非输出端，所述的第二比较器具有Q2输出端和Q2非输出端，所述的第三比较器具有Q3输出端和Q3非输出端，所述的放大滤波电路的输入端与接收超声波换能器相连接，所述的放大滤波电路对接收超声波换能器接收到的超声波信号进行放大滤波处理，所述的放大滤波电路的输出端输出放大滤波后的超声波信号，所述的第一比较器的同相输入端和所述的第二比较器的同相输入端均与所述的放大滤波电路的输出端相连接，接入放大滤波后的超声波信号，所述的第一比较器的反相输入端和所述的第二比较器的反相输入端均接入硬件阈值，所述的第一比较器的Q1输出端与所述的计数器的输入端相连接，所述的计数器累计所述的第一比较器的Q1输出端输出的脉冲序列的脉冲个数，所述的计数器的输出端输出脉冲个数，所述的第二比较器的Q2非输出端与所述的反相器的输入端相连接，所述的反相器的输出端与所述的第二比较器的LE引脚相连接，所述的第二比较器的Q2输出端输出锁存信号，所述的第三比较器的反相输入端与所述的放大滤波电路的输出端相连接，接入放大滤波后的超声波信号，所述的第三比较器的同相输入端接地，所述的第二比较器的Q2输出端与所述的第三比较器的Q3输出端分别与所述的逻辑与运算单元的输入端相连接，所述的逻辑与运算单元的输出端输出用于作为判断超声波信号到达的标志的停止信号，所述的逻辑与运算单元的输出端与时差法超声流量计测量电路中的计时芯片相连接，所述的计时芯片自时差法超声流量计测量电路中的微控制器控制脉冲信号产生电路输出驱动脉冲信号时开始计时，所述的计时芯片自接收到停止信号后停止计时，所述的计数器与所述的计时芯片分别与所述的微控制器相连接。

2.根据权利要求1所述的一种时差法超声流量计静态漂移抑制模型，其特征在于所述的硬件阈值的大小根据不同的接收超声波换能器接收到的实际的超声波信号的大小进行调节，调节完成后所述的硬件阈值为一固定电压值，所述的硬件阈值大于放大滤波后的超声波信号的第一正周期信号峰值，且小于放大滤波后的超声波信号的第二正周期信号峰值。

3.根据权利要求1或2所述的一种时差法超声流量计静态漂移抑制模型，其特征在于所述的微控制器为型号为MSP430的单片机。

4.根据权利要求3所述的一种时差法超声流量计静态漂移抑制模型，其特征在于所述的第二比较器的型号为MAX963。

5.根据权利要求4所述的一种时差法超声流量计静态漂移抑制模型，其特征在于所述的计时芯片的型号为TDC_GP2。

6.一种时差法超声流量计静态漂移抑制方法，其特征在于包括以下步骤：

①将接收超声波换能器的输出端与放大滤波电路的输入端相连接，将放大滤波电路的输出端分别与第一比较器的同相输入端、第二比较器的同相输入端及第三比较器的反相输入端相连接，将硬件阈值分别接入第一比较器的反相输入端和第二比较器的反相输入端，将第三比较器的同相输入端接地，将第一比较器的Q1输出端与计数器的输入端相连接，将第二比较器的Q2非输出端与反相器的输入端相连接，将反相器的输出端与第二比较器的LE引脚相连接，将第二比较器的Q2输出端和第三比较器的Q3输出端分别与逻辑与运算单元的输入端相连接，将逻辑与运算单元的输出端与时差法超声流量计测量电路中的计时芯片相连接，将计数器和计时芯片分别与时差法超声流量计测量电路中的微控制器相连接；

②自微控制器控制时差法超声流量计测量电路中的脉冲信号产生电路输出驱动脉冲信号时，微控制器控制计时芯片开始计时；

③接收超声波换能器接收发射超声波换能器发射出的超声波信号，并将接收到的超声波信号传输给放大滤波电路，放大滤波电路对超声波信号进行放大滤波处理，并传输放大滤波后的超声波信号给第一比较器的同相输入端、第二比较器的同相输入端及第三比较器的反相输入端；

④第一比较器比较超声波信号的电压幅值与硬件阈值的大小，当超声波信号的电压幅值大于硬件阈值时，第一比较器的Q1输出端输出高电平，当超声波信号的电压幅值小于硬件阈值时，第一比较器的Q1输出端输出低电平；然后，第一比较器传输其Q1输出端输出的由高电平和低电平组成的脉冲序列给计数器的输入端，计数器累计脉冲序列的脉冲个数；

⑤第二比较器比较超声波信号的电压幅值与硬件阈值的大小，当超声波信号的电压幅值大于硬件阈值时，第二比较器的Q2非输出端输出低电平，当超声波信号的电压幅值小于硬件阈值时，第二比较器的Q2非输出端输出高电平；然后，第二比较器传输其Q2非输出端输出的由高电平和低电平组成的脉冲序列给反相器的输入端，反相器的输出端输出的信号接入第二比较器的LE引脚，使第二比较器的Q2输出端输出的信号被锁存，第二比较器的Q2输出端输出锁存信号，并传输锁存信号给逻辑与运算单元的输入端；

⑥第三比较器比较超声波信号的电压幅值与零电平的大小，当超声波信号的电压幅值小于零电平时，第三比较器的Q3输出端输出高电平，当超声波信号的电压幅值大于零电平时，第三零比较器的Q3输出端输出低电平；然后，第三比较器传输其Q3输出端输出的由高电平和低电平组成的脉冲序列给逻辑与运算单元的输入端；

⑦逻辑与运算单元对锁存信号和第三比较器输出的脉冲序列进行逻辑与运算，其输出端输出用于作为判断超声波信号到达的标志的停止信号，并传输停止信号给计时芯片，计时芯片在接收到停止信号后停止计时；

⑧微控制器从计数器中读取计数器累计的脉冲个数，然后判断脉冲个数是否等于设定的固定值，如果是，则读取计时芯片所计时间，将该读取的时间作为顺流时间或逆流时间，否则，舍弃该次计时，然后重复②至⑨的过程；

⑨微控制器根据顺流时间和逆流时间计算两者的时间差；

⑩微控制器根据时间差计算瞬时流量。

7.根据权利要求6所述的一种时差法超声流量计静态漂移抑制方法，其特征在于重复执行N次步骤①～⑨，实现N组相同的测量，获得N组时间差，对N组时间差进行平滑滤波处理，获得精确的时间差。

8.根据权利要求6所述的一种时差法超声流量计静态漂移抑制方法，其特征在于所述的设定的固定值的大小由所述的硬件阈值的大小以及放大滤波后的超声波信号的大小共同决定。

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